Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Чтобы узнать о других значениях слова «Hardness», см. Hard (значения) . «Мягкость» перенаправляется сюда: для использования в других целях см. «Мягкость» (значения) .
Не путать с выносливостью .

Твердость - это мера сопротивления локализованной пластической деформации, вызванной механическим вдавливанием или истиранием . Как правило, разные материалы различаются по твердости; например, твердые металлы, такие как титан и бериллий , тверже мягких металлов, таких как натрий и металлическое олово , или дерева и обычных пластиков . Макроскопическая твердость обычно характеризуется сильными межмолекулярными связями , но поведение твердых материалов под действием силы является сложным; поэтому существуют разные измерения твердости: твердость царапины ,Твердость вдавливания и твердость отскока .

Твердость зависит от пластичности , упругой жесткости , пластичности , деформации , прочности , вязкости , вязкоупругости и вязкости .

Обычными примерами твердого вещества являются керамика , бетон , некоторые металлы и сверхтвердые материалы , которые можно противопоставить мягкому веществу .

Измерение твердости [ править ]

Твердомер по Виккерсу

Существует три основных типа измерения твердости: царапина , вдавливание и отскок . Внутри каждого из этих классов измерений есть индивидуальные шкалы измерений. По практическим причинам таблицы преобразования используются для преобразования одного масштаба в другой.

Стойкость к царапинам[ редактировать ]

Основная статья: твердость от царапин

Твердость к царапинам - это показатель устойчивости образца к разрушению или остаточной пластической деформации из-за трения о острый предмет. [1] Принцип заключается в том, что предмет, сделанный из более твердого материала, поцарапает предмет, сделанный из более мягкого материала. При испытании покрытий твердость к царапинам относится к силе, необходимой для прорезания пленки на подложке. Самым распространенным тестом является шкала Мооса , применяемая в минералогии . Одним из инструментов для этого измерения является склерометр .

Другой инструмент, используемый для проведения этих испытаний, - это карманный твердомер. Этот инструмент состоит из шкалы с градуированными отметками, прикрепленной к четырехколесной каретке. Инструмент для царапин с острым ободом устанавливается под заданным углом к ​​испытательной поверхности. Для его использования к рычагу весов на одной из градуированных отметок добавляется гиря известной массы, затем инструмент проводится по испытательной поверхности. Использование веса и маркировки позволяет применять известное давление без необходимости использования сложного оборудования. [2]

Жесткость вдавливания [ править ]

Основная статья: Твердость вдавливания

Твердость при вдавливании измеряет сопротивление образца деформации материала из-за постоянной сжимающей нагрузки от острого предмета. Испытания на твердость при вдавливании в основном используются в машиностроении и металлургии . Испытания основаны на основных предпосылках измерения критических размеров вмятины, оставленной индентором с заданными размерами и нагрузкой.

Распространенными шкалами твердости вдавливания являются , среди прочего, шкалы Роквелла , Виккерса , Шора и Бринелля .

Жесткость отскока [ править ]

Твердость отскока, также известная как динамическая твердость , измеряет высоту «отскока» молотка с алмазным наконечником, падающего с фиксированной высоты на материал. Этот тип твердости связан с эластичностью . Устройство, используемое для этого измерения, известно как склероскоп . [3]

Две шкалы, которые измеряют твердость отскока, - это испытание на твердость отскока по Леебу и шкала твердости Беннета .

Метод ультразвукового контактного импеданса (UCI) определяет твердость путем измерения частоты колеблющегося стержня. Стержень состоит из металлического вала с вибрирующим элементом и пирамидального ромба, установленного на одном конце. [4]

Закалка [ править ]

Основная статья: Закалка (металлургия)

Есть пяти закалочных процессы: укрепление Холла-Петч , упрочнение , упрочнение твердого раствора , дисперсионное твердение и мартенситное превращение .

Физика [ править ]

Диаграмма кривой напряжения-деформации , показывающая взаимосвязь между напряжением (силой, приложенной на единицу площади) и деформацией или деформацией пластичного металла.

В механике твердого тела твердые тела обычно имеют три реакции на силу , в зависимости от величины силы и типа материала:

  • Они обладают эластичностью - способностью временно изменять форму, но возвращаться к исходной форме при снятии давления. «Твердость» в диапазоне упругости - небольшое временное изменение формы при заданной силе - называется жесткостью в случае данного объекта или высоким модулем упругости в случае материала.
  • Они обладают пластичностью - способностью постоянно изменять форму в ответ на силу, но остаются цельными. Предел текучести является точка , при которой упругая деформация сменяется пластической деформации. Деформация в пластическом диапазоне является нелинейной и описывается кривой зависимости напряжения от деформации . Этот отклик дает наблюдаемые свойства твердости к царапинам и вдавливанию, как описано и измерено в материаловедении. Некоторые материалы проявляют как эластичность, так и вязкость при пластической деформации; это называется вязкоупругостью .
  • Они перелом -Сплит на две или более частей.

Прочность - это мера диапазона эластичности материала или диапазона эластичности и пластичности вместе взятых. Это количественно , как прочность на сжатие , прочность на сдвиг , предел прочности на разрыв в зависимости от направления сил , участвующих. Предел прочности - это инженерная мера максимальной нагрузки, которую может выдержать часть определенного материала и определенной геометрии.

Хрупкость в техническом использовании - это склонность материала к разрушению с очень небольшой заранее обнаруживаемой пластической деформацией или без нее. Таким образом, с технической точки зрения материал может быть как хрупким, так и прочным. В повседневном использовании «хрупкость» обычно относится к тенденции к разрушению под действием небольшого усилия, которое проявляется как хрупкостью, так и недостаточной прочностью (в техническом смысле). Для идеально хрупких материалов предел текучести и предел прочности одинаковы, поскольку они не испытывают заметной пластической деформации. Противоположность хрупкости - пластичность .

Ударная вязкость материала является максимальным количеством энергии , он может поглощать до того разрыва пласта, который отличается от количества силы , которые могут быть применены. Вязкость хрупких материалов обычно невелика, поскольку упругие и пластические деформации позволяют материалам поглощать большое количество энергии.

Твердость увеличивается с уменьшением размера частиц . Это известно как отношения Холла-Петча . Однако при размере зерна ниже критического твердость уменьшается с уменьшением размера зерна. Это известно как обратный эффект Холла-Петча.

Твердость материала к деформации зависит от его микропрочности или модуля мелкомасштабного сдвига в любом направлении, а не от каких- либо свойств жесткости или жесткости, таких как его объемный модуль или модуль Юнга . Жесткость часто путают с твердостью. [5] [6] Некоторые материалы жестче, чем алмаз (например, осмий), но не тверже и склонны к растрескиванию и отслаиванию чешуек или игольчатых образований.

Механизмы и теория [ править ]

Изображение кристаллической решетки, показывающее плоскости атомов.

Ключом к пониманию механизма твердости является понимание металлической микроструктуры или структуры и расположения атомов на атомном уровне. Фактически, наиболее важные металлические свойства, критичные для производства современных товаров, определяются микроструктурой материала. [7] На атомном уровне атомы в металле организованы в упорядоченный трехмерный массив, называемый кристаллической решеткой . В действительности, однако, данный образец металла, вероятно, никогда не содержит последовательной монокристаллической решетки. Данный образец металла будет содержать много зерен, причем каждое зерно будет иметь довольно согласованный рисунок массива. В еще меньшем масштабе каждое зерно содержит неровности.

Существует два типа неровностей на уровне зерен микроструктуры, которые отвечают за твердость материала. Эти неровности являются точечными и линейными дефектами. Точечный дефект - это неровность, расположенная в одном узле решетки внутри общей трехмерной решетки зерна. Есть три основных точечных дефекта. Если в массиве отсутствует атом, образуется дефект вакансии . Если в узле решетки находится другой тип атома, который обычно должен занимать атом металла, образуется дефект замещения. Если атом существует в узле, где его обычно не должно быть, значит, имеется дефект внедрения.сформирован. Это возможно, потому что существует пространство между атомами в кристаллической решетке. В то время как точечные дефекты представляют собой неровности в одном узле кристаллической решетки, линейные дефекты представляют собой неровности на плоскости атомов. Дислокации - это тип дефекта линии, связанный с смещением этих плоскостей. В случае краевой дислокации полуплоскость атомов вклинивается между двумя плоскостями атомов. В случае винтовой дислокации две плоскости атомов смещены, а между ними проходит спиральный массив. [8]

В стеклах твердость, по-видимому, линейно зависит от количества топологических ограничений, действующих между атомами сети. [9] Таким образом, теория жесткости позволила прогнозировать значения твердости в зависимости от состава.

Плоскости атомов, расщепленные краевой дислокацией.

Дислокации обеспечивают механизм скольжения атомных плоскостей и, следовательно, метод пластической или постоянной деформации. [7] Плоскости атомов могут переворачиваться с одной стороны дислокации на другую, что позволяет дислокации проходить через материал, а материал - деформироваться навсегда. Движение, допускаемое этими дислокациями, вызывает снижение твердости материала.

Способ подавления движения плоскостей атомов и, таким образом, их усложнения, включает взаимодействие дислокаций друг с другом и межузельными атомами. Когда дислокация пересекается со второй дислокацией, она больше не может проходить через кристаллическую решетку. Пересечение дислокаций создает точку привязки и не позволяет плоскостям атомов продолжать скользить друг по другу [10] . Дислокация также может быть закреплена за счет взаимодействия с межузельными атомами. Если дислокация соприкасается с двумя или более атомами внедрения, скольжение плоскостей снова будет нарушено. Межузельные атомы создают опорные точки или точки закрепления так же, как пересекающиеся дислокации.

Варьируя присутствие межузельных атомов и плотность дислокаций, можно контролировать твердость конкретного металла. Хотя это может показаться нелогичным, по мере увеличения плотности дислокаций создается больше пересечений и, следовательно, больше точек привязки. Точно так же по мере добавления большего количества межузельных атомов образуется больше точек закрепления, которые препятствуют перемещению дислокаций. В результате, чем больше будет добавлено опорных точек, тем тверже станет материал.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Вреденберг, Фредрик; П.Л. Ларссон (2009). «Царапины на металлах и полимерах: эксперименты и цифры». Носить . 266 (1-2): 76. DOI : 10.1016 / j.wear.2008.05.014 .
  2. ^ Hoffman Scratch Hardness Tester, архивировано 23 марта 2014 г. в Wayback Machine . byk.com
  3. ^ Аллен, Роберт (2006-12-10). «Руководство по твердости отскока и склероскопическому тестированию» . Архивировано из оригинала на 2012-07-18 . Проверено 8 сентября 2008 .
  4. ^ "Новотест" .
  5. ^ Jeandron, Мишель (2005-08-25). «Бриллианты не вечны» . Мир физики . Архивировано 15 февраля 2009 года.
  6. ^ Сан-Мигель, А .; Blase, P .; Blase, X .; Mélinon, P .; Perez, A .; Itié, J .; Polian, A .; Рени, Э .; и другие. (1999-05-19). «Поведение клатратов кремния при высоком давлении: новый класс материалов с низкой сжимаемостью». Физический обзор . 83 (25): 5290. Bibcode : 1999PhRvL..83.5290S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.83.5290 .
  7. ^ a b Haasen, P. (1978). Металлургия металлов. Кембридж [англ.]; Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.
  8. Перейти ↑ Samuel, J. (2009). Введение в учебное пособие по материаловедению . Мэдисон, Висконсин: Университет Висконсин-Мэдисон.
  9. ^ Smedskjaer, Morten M .; Джон К. Мауро; Юаньчжэн Юэ (2010). «Прогноз твердости стекла с использованием теории температурно-зависимых ограничений». Phys. Rev. Lett . 105 (11): 2010. Bibcode : 2010PhRvL.105k5503S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.105.115503 . PMID 20867584 . 
  10. ^ Лесли, WC (1981). Металлургия сталей. Вашингтон: паб Hempisphere. Corp., Нью-Йорк: McGraw-Hill, ISBN 0070377804 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Чинн, Р.Л. (2009). «Твердость, подшипники и Роквеллы». Современные материалы и процессы . 167 (10): 29–31.
  • Дэвис, младший (ред.). (2002). Поверхностное упрочнение сталей: основы. Парк материалов, Огайо: ASM International.
  • Дитер, Джордж Э. (1989). Механическая металлургия. SI Метрическая адаптация. Мейденхед, Великобритания: McGraw-Hill Education. ISBN 0-07-100406-8 
  • Мальцбендер, J (2003). «Комментарий к определениям твердости». Журнал Европейского керамического общества . 23 (9): 9. дои : 10.1016 / S0955-2219 (02) 00354-0 .
  • Реванкар, Г. (2003). «Введение в испытания на твердость». Механические испытания и оценка , ASM Online Vol. 8.

Внешние ссылки [ править ]

  • Введение в твердость материалов
  • Рекомендации по испытаниям на твердость
  • Проверка твердости металлов